Was ist freie energie?

Freie Energie

Die Freie Energie ist ein thermodynamisches Potential, das die Menge an Energie in einem thermodynamischen System angibt, die für die Verrichtung nützlicher Arbeit bei konstanter Temperatur und/oder konstantem Druck verfügbar ist. Es gibt zwei Haupttypen der freien Energie:

• Helmholtz-Energie (F): Relevant bei konstanter Temperatur und konstantem Volumen. Sie wird oft als A anstelle von F bezeichnet. Die Helmholtz-Energie ist definiert als: F = U - TS, wobei U die innere Energie des Systems, T die absolute Temperatur und S die Entropie ist. Mehr dazu unter: Helmholtz-Energie

• Gibbs-Energie (G): Relevant bei konstanter Temperatur und konstantem Druck. Sie ist besonders nützlich für chemische Reaktionen. Die Gibbs-Energie ist definiert als: G = H - TS, wobei H die Enthalpie des Systems, T die absolute Temperatur und S die Entropie ist. Mehr dazu unter: Gibbs-Energie

Bedeutung der Freien Energie:

• Spontaneität von Prozessen: Die Veränderung der freien Energie (ΔG oder ΔF) gibt an, ob ein Prozess spontan (d.h. ohne Zufuhr von Energie) ablaufen kann.

  • ΔG < 0: Der Prozess ist spontan (exergonisch).
  • ΔG > 0: Der Prozess ist nicht spontan (endergonisch) und erfordert Energiezufuhr.
  • ΔG = 0: Das System befindet sich im Gleichgewicht.

• Maximale Arbeit: Die Änderung der freien Energie entspricht der maximalen Arbeit, die ein System bei konstanter Temperatur und/oder konstantem Druck verrichten kann (abzüglich der Volumenarbeit bei der Gibbs-Energie).

• Gleichgewichtskonstante: Die Änderung der Gibbs-Energie ist direkt mit der Gleichgewichtskonstante (K) einer chemischen Reaktion verbunden: ΔG° = -RT ln(K), wobei R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur ist und ΔG° die Standardänderung der Gibbs-Energie.

Anwendungen:

• Chemie: Vorhersage der Spontaneität chemischer Reaktionen, Bestimmung von Gleichgewichtskonstanten, Entwicklung neuer chemischer Prozesse.
• Materialwissenschaft: Untersuchung der Stabilität von Materialien, Vorhersage von Phasenübergängen.
• Biologie: Verständnis von Stoffwechselprozessen, Untersuchung der Faltung von Proteinen.